專利名稱：一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光器件領域，涉及到諧振腔鏡，具體涉及一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡。
背景技術：
軸對稱偏振光是一種在光束橫截面內除光束中心外各點均存在偏振方向與徑向成相同角度的偏振光束。當二者夾角等于90°時，稱為環向偏振光(如圖Ι-a所示)。當二者夾角等于0°時，稱為徑向偏振光(如圖l_b所示)，圖1中的箭頭指向為電矢量方向。 由于軸對稱偏振光的特殊偏振特性，在很多領域中表現出誘人的應用前景。環向偏振光可以應用于工業激光打孔，其加工的孔與圓偏振光加工的孔相比，具有孔的深度大、孔徑小、錐度小、熱影響區小等特點。到目前為止，徑向偏振光的應用領域更加廣泛。在科學研究領域，徑向偏振光在強聚焦下，焦點位置將出現一個很強的縱向電場，可以用于對帶電粒子加速。徑向偏振光也可以作為“光鑷子”實現對粒子捕獲。徑向偏振光還可以用于近場成像，提高顯微鏡的分辨率。 在工業加工領域，徑向偏振光用于切割，相比于圓偏振光切割效率可以提高2倍左右。目前，軸對稱偏振光的產生分為被動和主動兩種方式。被動的方式主要采用波片， 偏振片等元件對線偏振光作旋轉疊加，或使用一對偏振正交的TEMtll光束相干疊加得到。主動方式一般利用軸對稱的雙折射元件或利用布儒斯特錐鏡等方法。申請號200820165973. 0公開了《一種實現線偏振光轉換為徑向偏振光的裝置》， 該方法采用半波片、四分之一波片、雙折射晶體、石英偏振旋轉器等通過有序排列將線偏振光轉換為徑向偏振光。該方法采用的光學器件多，結構復雜，并且對波片和雙折射元件的光軸之間的相對位置要求嚴格，調整不方便，轉換效率也不高。申請號200910051101. 0公開了一種《輸出徑向偏振光束的激光器》，這種方法以布儒斯特軸錐鏡作為腔內偏振元件產生徑向偏振光。由于插入布儒斯特軸錐鏡到腔內，增加了諧振腔的損耗。而且布儒斯特軸錐鏡的制造和調整精度要求極高，限制了徑向偏振光的輸出功率和偏振度。
發明內容
本發明針對上述技術的不足，提出了一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，該諧振腔鏡偏振選擇度大，反射率高，軸對稱性好，熱穩定性優良，可以得到高功率、高偏振度的軸對稱偏振光。本發明提供的一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，其特征在于，它包括光柵、多層介質膜和基底；光柵的刻線呈圓環狀，并分布均勻，且與基底同心，光柵的刻線剖面為矩形，光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關系Φ2 = $「2*1^，其中，Ct1為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區圓環的直徑，L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度；多層介質膜由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜位于光柵和基底之間，光柵層厚度小于多層介質膜總厚度。本發明通過對光柵參數，包括光柵的周期、刻槽深度、占空比等參數的調節，可以
3設計出過光柵鏡任一直徑的入射面內對正入射的P偏振分量具有高反射率且高于正入射的S偏振分量反射率10%以上的徑向偏振光柵鏡，或是對正入射的S偏振分量具有高反射率且高于正入射的P偏振分量反射率10%以上的環向偏振光柵鏡。這樣就可以得到高純度的徑向或環向軸對稱偏振光。該腔鏡結構簡單、對稱性好、熱穩定性能和機械性能優良，可以作為諧振腔的尾鏡，廣泛應用于氣體、固體激光器，以產生高功率、高純度的軸對稱偏振光。具體而言，本發明具有以下技術特點(1)所述的基底具有熱穩定性好的特點，既可以是平面鏡，也可以是凹面鏡。高熱穩定性的基底可以滿足高功率激光器的使用要求。( 所述的多層介質膜位于基底之上，是由高低折射率材料交替層疊而成。它具有低吸收，高損傷閾值等特點，可以增強腔鏡的反射率達到激光諧振腔尾鏡的要求。(3)光柵位于多層介質膜之上，其刻線呈圓環狀，并分布均勻，而且與腔鏡同心。光柵刻線剖面為矩形。由于過光柵鏡任一直徑的入射面內，光柵對于一對正交的偏振態，P偏振分量和S偏振分量具有明顯的反射率差異。因此，光柵具有很強的偏振選擇特性。光柵的圓形刻蝕結構，可以使徑向或環向軸對稱偏振光體現出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性，有利于得到高純度的徑向或環向軸對稱偏振光。
圖1為兩類軸對稱偏振光TEM_模的電矢量結構圖；圖2為本發明實施例左視結構示意圖；圖3為本發明實施例剖面結構示意圖；圖4為本發明實施例正視結構示意圖；圖5為本發明實施例典型結構示意圖；圖6為本發明實施例典型結構的反射率與光柵深度之間的關系圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。如圖2所示，本發明包括光柵1、多層介質膜2和基底3。如圖3，4所示，光柵1的刻線呈圓環狀，并分布均勻，且與腔鏡同心。中心未刻蝕區的直徑為Φ3，其取值一般小于光柵的三十個周期。光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關系Φ2 = (^-2禮，其中，Ct1為基底直徑，Φ2為光柵刻蝕區圓環的直徑。L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度。光柵作為偏振選擇器件，僅對徑向軸對稱偏振光或環向軸對稱偏振光具有較高的反射率，而對與之正交的環向軸對稱偏振光或徑向軸對稱偏振光具有很低的反射率。圓形光柵刻蝕結構，可以使徑向或環向軸對稱偏振光體現出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性，有利于得到高純度的徑向或環向軸對稱偏振光。基底3具有熱穩定性和機械特性好的特點，既可以是平面鏡，也可以是凹面鏡。高熱穩定性的基底可以滿足高功率的使用要求。多層介質膜2位于光柵1和基底3之間，光柵層厚度小于多層介質膜總厚度。光柵 1的刻線剖面為矩形。多層介質膜2的直徑等于光柵刻蝕區的直徑Φ2。多層介質膜2由高低折射率材料交替層疊而成，具有低吸收，高損傷閾值，高反射等特點。因此，多層介質膜2可以大大提高腔鏡對光柵選擇出來的徑向或環向軸對稱偏振光的反射率，使其達到激光諧振腔尾鏡的要求。對于輸出波長在遠紅外區的激光器，高折射率材料一般為鍺、硒化鋅、砷化鎵等半導體材料，既具有對激光吸收率低，又有較大折射率的特點。而低折射率材料一般為四氟化釷，氟化釔等氟化物。同樣，這些材料對激光有低吸收，又有較小折射率。對于輸出波長在近紅外區的激光器，高折射率材料一般為二氧化鉿，二氧化鈦、二氧化鋯或五氧化二鉭等金屬氧化物材料，既具有對激光吸收率低，又有較大折射率的特點。而低折射率材料一般為對激光低吸收率低的二氧化硅。多層介質膜層數通常在2至21層之間。激光在各介質膜層中的光程為波長的四分之一，多層介質膜的總厚度由所采用的高、低折射率材料的折射率和設計的膜層數決定。上述技術方案適用于不同輸出波長、不同各種類的激光器所需的諧振腔鏡，下面以輸出波長為10. 6微米的(X)2激光器為例，進一步詳細地說明上述技術方案的具體實現過程。如圖5所示的光柵具體結構，對于輸出波長為10. 6微米的(X)2激光器，基底和光柵區均采用砷化鎵。Ct1為27. 94毫米，Φ2* 22.00毫米，(^為0.20毫米。多層介質膜的高折射率材料為硒化鋅，低折射率材料為四氟化釷，多層膜的層數為5層。光柵的周期Λ 為6微米，光柵脊寬b為3微米，改變光柵的深度d計算得到兩種偏振光的反射率曲線，如圖6所示。當光柵深度d在1. 50微米附近的區間A內(d大于1. 40微米小于1. 75微米) 取值時，正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%，而正入射S偏振分量的反射率均小于 53. M%。同樣，當光柵深度d在3. 30微米附近的區間B內(d大于3. 25微米小于4. 25微米)取值時，正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%，而正入射S偏振分量的反射率均小于88. 41%。可見，在光柵的深度取值在區域A、B中時，這種光柵鏡結構既具有高的反射率同時具有優良的偏振選擇性，適宜于作為激光諧振腔的尾鏡產生徑向偏振光。因此，在制作光柵的時候可以在區域A、B中優選光柵的深度，使其一方面達到尾鏡的要求，另一方面偏振選擇性強，并具有較大的制造公差范圍。本發明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是采用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1. 一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，其特征在于，它包括光柵(1)、多層介質膜(2)和基底(3)；光柵⑴的刻線呈圓職，并分布均勻，且與基底⑶同心，光柵⑴的刻線剖面為·光_骸_ 區的尺寸滿足縣4l 二 A - 其中，美為基底直徑,疼為光柵刻蝕區圓環的直徑，L為基底(3)上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度；多層介質膜(2)由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜(2)位于光柵(1)和基底(3)之間，光柵層厚度小于多層介質膜總厚度。
2.根據權力要求1所述的一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，其特征在于基底(3)是平面鏡或凹面鏡。
全文摘要
本發明公開了基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡，它包括光柵、多層介質膜和基底；光柵的刻線呈圓環狀，并分布均勻，且與基底同心，光柵的刻線剖面為矩形，光柵鏡刻蝕區的尺寸滿足關系，其中，為基底直徑，為光柵刻蝕區圓環的直徑，為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環寬度；多層介質膜是由高低折射率材料交替層疊而成；多層介質膜位于光柵和基底之間，光柵層厚度小于多層介質膜總厚度。該腔鏡具有對P偏振或S偏振選擇和高反射的特點，而且具有圓對稱性。可用于激光諧振腔的尾鏡，得到高偏振度的軸對稱偏振光束。
文檔編號H01S3/101GK102157894SQ20111006758
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者李波, 楊揚, 王又青, 賀昌玉, 趙江 申請人:華中科技大學